Fils de Satoru Nakajima, l'un des plus célèbres pilotes japonais, Kazuki Nakajima débute sa carrière par le karting en 1996. En 2003, il passe à l'automobile grâce à sa victoire l'année précédente à l'école de pilotage Toyota à Fuji (la Formula Toyota Racing School) et remporte le championnat de Formule Toyota. Soutenu par Toyota (alors que son père Satoru était lui le pilote fétiche de Honda dans les années 1980), il accède au championnat du Japon de Formule 3 (5e en 2004, 2e en 2005), puis au très relevé championnat de Formule 3 Euroseries en 2006 au sein de l'équipe Manor Motorsport (7e). Ses résultats corrects ainsi que le soutien de Toyota lui permettent de décrocher pour la saison 2007 une place de pilote essayeur chez Williams-Toyota en Formule 1. Il dispute en parallèle le championnat de GP2 Series dans l'écurie française DAMS. Il participera avec Williams à son tout premier grand prix de Formule 1 le 21 octobre au Grand Prix du Brésil ou il remplacera Alexander Wurz qui a mi un terme à sa carrière.